CN112375230A

CN112375230A - 一种可用于识别人体代谢物的三稀土荧光传感器

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Publication number: CN112375230A
Application number: CN202011450382.XA
Authority: CN
Inventors: 宁张磊; 李明凤; 杨洁; 冯莉
Original assignee: Sichuan Normal University
Current assignee: Sichuan Normal University
Priority date: 2020-12-12
Filing date: 2020-12-12
Publication date: 2021-02-19
Anticipated expiration: 2040-12-12
Also published as: CN112375230B

Abstract

本发明涉及一种铕铽共掺的均苯三甲酸镧的制备。S1，选取原料，硝酸镧、硝酸铽、硝酸铕和均苯三甲酸；S2，将均苯三甲酸溶解在乙醇中，搅拌；S3，将S2中得到的溶液中先加入硝酸镧溶液，再加入不同比例的硝酸铽和硝酸铕溶液，搅拌；S4，静置，离心洗涤，烘干得到白色样品；S5，对得到的不同铕铽掺杂量的均苯三甲酸镧材料进行表征；S6，将铕铽掺杂的均苯三甲酸镧用于人体代谢物尿酸的检测。该稀土材料是用硝酸铕和硝酸铽溶液掺杂得到的均苯三甲酸镧金属有机框架，简称三稀土荧光材料。因其具有稳定的框架结构和多个发射峰特征，使其能够在尿液pH值范围内的水环境中更快速、准确的直接检测人体代谢物尿酸的存在。

Description

一种可用于识别人体代谢物的三稀土荧光传感器

技术领域

本发明涉及三稀土金属有机框架材料的制备技术领域，具体为一种铕铽共掺的均苯三甲酸镧的制备及应用。

背景技术

尿酸（又称2, 6, 8-三羟基嘌呤，简称UA）是嘌呤（如腺嘌呤、鸟嘌呤）核苷酸在人体内代谢的主要产物之一。尿液中尿酸的代谢过程是尿酸首先溶解在血液中，然后经过肾脏，最终通过尿液排出体外。尿酸是一种弱酸(pK_a=5.8)，在生理pH下，它主要以尿酸盐的形式存在。一个健康成人的尿酸正常范围为：血清0.13 ~ 0.46 mM，尿液1.49 ~ 4.50 mM。尿液中尿酸水平异常可能会增加疾病的风险，如尿道炎、痛风、白血病、重型肝炎、慢性肾病、翘嘴和肾脏疾病。预防此类疾病的发生往往需要对尿液中尿酸的水平进行监测，所以对尿液中尿酸含量的监测具有十分重要意义。到目前为止，已经报道了多种检测尿酸的方法，如电化学传感器、高效液相色谱和酶法。但是这些方法需要昂贵的仪器和复杂的操作，从而限制了它们广泛的应用。与这些方法相比，荧光传感器具有快速、低损耗、方便、选择性好、灵敏度高、重复性好等一系列优点。

镧系金属有机框架（Ln-MOFs）由于具有优异的发光性能和良好的孔隙率，已经被广泛用作传感材料。基于Ln-MOFs的生物标记物或代谢物传感器是一种新兴的生物化学和医学研究方法。然而，到目前为止，用于直接检测尿酸的荧光传感器还很少。因此，开发一种灵敏、快速、简便的检测尿酸的荧光方法备受关注。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种铕铽共掺的均苯三甲酸镧制备及应用。其中镧离子（La³⁺）作为一种优异的基质材料，相较于其他稀土材料它的价格低廉。另外，Eu³⁺和Tb³⁺分别是优异的红色和绿色发光激活剂，已被广泛运用于各种荧光材料的设计中。

本发明提供如下技术方案：一种铕铽共掺的均苯三甲酸镧的制备及应用，步骤如下：

S1，选取原料，硝酸镧、硝酸铽、硝酸铕和均苯三甲酸；

S2，将均苯三甲酸溶解在乙醇中，搅拌；

S3，将S2中得到的溶液中先加入硝酸镧溶液，再加入不同比例的硝酸铽和硝酸铕溶液，搅拌；

S4，静置，离心洗涤，烘干得到白色样品；

S5，对得到的不同铕铽掺杂量的均苯三甲酸镧材料进行表征；

S6，将铕铽掺杂的均苯三甲酸镧用于人体代谢物尿酸的检测。

优选的，所述步骤S2与步骤S3中均为室温搅拌30 min。

优选的，S3中加入铕离子的摩尔分数R为0.3。

优选的，所述步骤S4中静置时间为12 h，烘烤温度60℃。

优选的，所述检测为选择性、响应时间、抗干扰性、灵敏度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明选用具有对称结构且具有多个配位点的均苯三甲酸和价格低廉的稀土硝酸镧构筑主体框架材料，加入性能优异的荧光激活剂稀土铕离子（Eu³⁺）和铽离子（Tb³⁺），得到铕铽共掺的均苯三甲酸镧。因其具有稳定的框架结构和多个发射峰特征，使其能够在尿液pH值范围内的水环境中更快速、准确的直接检测尿液中尿酸的存在。

图1为本发明中镧系金属有机框架（La-MOFs）材料与不同摩尔比例的铕铽共掺的均苯三甲酸镧（La-MOFs:Tb³⁺, Eu³⁺）以及模拟的La(TMA)(H₂O)₆单晶的XRD谱图。

图2为本发明中配体、La-MOFs和优选样品——掺杂铕离子的摩尔分数为R=0.3的La-MOFs（La-MOFs: 0.07Tb³⁺, 0.03Eu³⁺）的红外光谱。

图3为本发明中不同含量的铕铽离子掺杂的La-MOFs的发射光谱图。

图4为本发明中优选样品（La-MOFs: 0.07Tb³⁺, 0.03Eu³⁺）的荧光光谱图。

图5为本发明中优选样品浸入到水中的XRD图(a)以及在259 nm激发下，优选样品浸入到水中的荧光发射光谱图(b)。

图6为本发明中优选样品在不同pH溶液中的XRD图(a)和优选样品在不同pH溶液中的发射光谱图(b)。

图7为本发明中259 nm激发下，优选样品在不同尿液成分中的发射光谱。

图8为本发明中优选样品在不同尿液成分中544 nm和616 nm处的荧光强度柱状图。

图9为本发明中优选样品在尿酸溶液中，30 min内的发射光谱图。

图10为本发明中在其他尿液化学成分存在的情况下，尿酸对的Tb³⁺ (544 nm)（a）和616 nm处的Eu³⁺ (616 nm)（b）荧光强度的影响。

图11为本发明中不同尿酸的浓度对优选样品的荧光响应。

图12为本发明中I ₀/I-1与不同尿酸的浓度的线性关系图（a为544 nm，b为616nm）。

图13为本发明步骤框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

参阅图13，可用于识别人体代谢物的三稀土荧光传感器的制备及应用，步骤如下：

S1，选取原料，硝酸镧、硝酸铽、硝酸铕和均苯三甲酸；

S2，将均苯三甲酸溶解在乙醇中，搅拌；

S4，静置，离心洗涤，烘干得到白色样品；

进一步的，所述步骤S2与步骤S3中均为室温搅拌30 min。

进一步的，S3中加入铕离子摩尔分数R分别为0, 0.1, 0.3, 0.5, 0.7, 0.9, 1（

），搅拌30 min，静止12 h。

进一步的，所述步骤S4中静置时间为12 h，烘烤温度60℃。

进一步的，所述检测为水稳定性、pH稳定性测试、选择性、响应时间、抗干扰性、灵敏度。

其中，制备的铕铽共掺的均苯三甲酸镧用于水稳定性测试：

室温下，将优选样品（La-MOFs: 0.07Tb³⁺,0.03Eu³⁺）浸泡在水中，浸泡不同的时间，然后考察样品在水中的晶体结构的稳定性。样品分别浸泡1天、2天、1周、2周，离心干燥后进行XRD测试。

将2 mg 优选样品浸泡在H₂O中，超声处理30 min后，记录悬浮液的荧光光谱。然后，将悬浮液密封，分别静置1天、2天、1周、2周，记录悬浮液的荧光光谱。

制备的铕铽共掺的均苯三甲酸镧用于pH稳定性测试：

将优选样品分别浸泡在8 mL pH值为3~10 (3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10)的水溶液中，然后密封在离心管中。静置24 h，离心干燥后进行XRD测试。

称取2 mg 优选样品分别加入到8 mL pH值为3~10的水溶液中。超声处理30 min后，记录悬浮液的荧光光谱。

制备的铕铽共掺的均苯三甲酸镧用于尿液中不同成分选择性测试：

将2 mg 优选样品浸泡在尿液的主要化学成分（NH₄Cl、NaCl、KCl、肌酐（Creatinine）、葡萄糖（Glu）、尿素（Urea）、肌酸（Cre）、尿酸（UA）、H₂O，浓度为10^-3 M）的水溶液中，超声30min后，记录悬浮液的荧光光谱。

制备的铕铽共掺的均苯三甲酸镧对尿液成分尿酸（UA）的响应时间测试：

向2 mg优选样品中加入尿酸（UA），分别在0、0.5、1、2、5、10、15、20、25、30 min时测试其发射光谱。

制备的铕铽共掺的均苯三甲酸镧用于在尿液成分的存在下对UA的检测的抗干扰性测试：

将2 mg 优选样品浸泡在尿液的主要化学成分，如NH₄Cl、NaCl、KCl、肌酐（Creatinine）、葡萄糖（Glu）、尿素（Urea）、肌酸（Cre）、空白溶液H₂O等，浓度为10^-3 M，超声30 min后，记录悬浮液的荧光光谱。然后向其中加入尿酸（UA），对混合物进行超声处理30min，形成均匀稳定的溶液。最后对准备的溶液进行荧光测试。

制备的铕铽共掺的均苯三甲酸镧对UA的检测的识别的灵敏度测试：

通过测量不同浓度的UA在水溶液中的荧光强度来实现实验灵敏度的计算。将2 mg优选样品浸泡在不同浓度的UA(0，5×10^-5，1×10^-4，3×10^-4，5×10^-4，5×10^-4，1×10^-3，2×10^-3和3×10^-3M)水溶液中，然后对混合物进行超声处理30 min，形成均匀稳定的含UA的溶液。最后对溶液进行荧光测试。

对样品进行结构表征，样品为镧系金属有机框架材料和铕铽共掺的均苯三甲酸镧；

XRD谱图分析：

如图1所示，所有样品的XRD衍射峰都与La(TMA)(H₂O)₆单晶模拟的XRD衍射峰相一致，并且没有检测到其他杂峰，该结果表明合成的铕铽掺杂的La-MOFs与La(TMA)(H₂O)₆是同晶相，且为纯相。

然后我们通过FT-IR进一步分析了铕铽掺杂La-MOFs系列样品的化学组成。由于这7种样品具有相似的化学成分。因此，我们以铕离子的摩尔分数为R=0.3制备的优选样品进行了一系列研究。

红外分析：

如图2所示，在La-MOFs红外光谱中，配体的非电离羧基的特征谱带消失了(1721 cm^-1和537 cm^-1)，在1612-1556和1432-1370 cm^-1范围内出现了新的谱带，应归属于-COO^-对称和反对称伸缩振动，这表明La³⁺与TMA成功配位。在530 cm^-1处的峰属于La-O伸缩振动，表明La原子与羧基成功配位。此外，3411 cm^-1处的强吸收峰属于水中羟基(-OH)的伸缩振动，表明水分子既是反应物又是溶剂，形成了均苯三甲酸镧(La-MOFs)。此外，优选样品的FT-IR与La-MOFs的FT-IR结果一致，表明优选样品的形成是配体与La³⁺，Tb³⁺和Eu³⁺配位的结果。

进一步的，本发明铕铽掺杂的均苯三甲酸镧架材料的性能表征：

不同铕离子摩尔分数的La-MOFs样品的发射光谱如图3所示。掺杂Tb³⁺的样品在544 nm处有最强发射峰，掺杂Eu³⁺的样品在616 nm处有最强发射峰，分别是由⁵D₄→⁷F₅和⁵D₀→⁷F₂跃迁所导致的。此外，Tb³⁺/Eu³⁺共掺的样品在259 nm激发下同时表现出Tb³⁺和Eu³⁺的特征发射峰，而且随着Tb³⁺/Eu³⁺比例的减小，Tb³⁺的特征峰强度逐渐降低，Eu³⁺的特征峰强度逐渐增大。

选取了铕铽荧光强度相近的优选样品（La-MOFs: 0.07Tb³⁺, 0.03Eu³⁺）来测试其激发光谱和发射光谱并说明其发光效果。图4显示了所获得的优选样品的激发光谱和发射光谱。当监测波长为544 nm和616 nm时，在200~500 nm之间出现了一个宽而强的峰，这可能是由于配体的π→π*电子跃迁导致的。最强的激发波长位于259 nm处。在259 nm波长激发下，优选样品的发射光谱同时包含了Tb³⁺在544 nm处和Eu³⁺在616 nm处的特征峰，且两者的荧光强度相差不大。

实施例二

本发明铕铽掺杂的均苯三甲酸镧材料作为荧光探针检测尿液中的尿酸。

水稳定性：

如图5所示是优选样品浸入到水中不同时间后的XRD图和荧光发射光谱图。在水中存放两周后，优选样品pH稳定性良好。

如图6所示是优选样品浸入不同pH溶液中的XRD图和荧光发射光谱图。优选样品在pH值为3~10范围内也表现出良好的与pH无关的发光和结构稳定性，说明优选样品具有良好的与水环境兼容的能力。这些结果表明优选样品有望用于检测特定的人体尿液代谢物的荧光传感器。

选择性测试：

图7记录各种尿液中化学成分对优选样品的发射光谱的影响。通过观察发现尿酸（UA）使优选样品的发光有明显的减弱，而其它化学成分对优选样品的发光影响不大。图8为优选样品浸泡在尿液的不同化学成分的水溶液时在544 nm和616 nm处的发光强度的柱状图。通过对比加入各种成分后的荧光强度发现，该材料置于UA溶液后，位于544 nm和616 nm的荧光强度均比其他化学成分的强度低。上述结果表明，优选样品对水溶液中UA的检测具有特异性识别，对UA具有很高的选择性。

响应时间：

图9为优选样品随着时间变化的发射光谱图和发光强度变化图。从图中可以看出优选样品对UA的荧光响应速率非常快。加入UA 30 s，优选样品的发光强度就显著降低，延长浸泡时间，在5 min后，发光强度下降趋于恒定。该结果表明优选样品能够快速的检测UA。

抗干扰性：

图10为优选样品浸泡在尿液的不同化学成分的水溶液时在544 nm和616 nm处的发光强度的柱状图。通过对比加入各种成分后的荧光强度发现，该材料置于UA溶液后，位于544nm和616 nm的荧光强度均比其他化学成分的强度低。上述结果表明，优选样品对水溶液中UA的检测具有特异性识别。

灵敏度：

如图11所示为不同浓度的尿酸对优选样品的发射光谱的影响，Tb³⁺和Eu³⁺在544 nm和616 nm处的发光强度随着浓度从0到300 μM的增加而减小。

如图12所示，我们拟合出不同UA浓度时，优选样品在544 nm和616 nm处的荧光强度的曲线。在0~300 μM的浓度范围内，I ₀/I与UA在水溶液中的摩尔浓度之间有很好的线性关系（R²= 0.9961和R²= 0.9885 (图12)。如方程（1.1）和（1.2）所示：

(1.1)

(1.2)

[UA]为尿酸的摩尔浓度，I ₀和I分别为UA不存在时和存在时544 nm或616 nm处的发光强度。通过LOD=3σ（σ=S₀/S，S₀为空白样品的标准偏差，S为标准曲线的斜率）计算得出检出限为1.2 μM。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种铕铽共掺的均苯三甲酸镧的制备及应用，其特征在于：如下操作步骤：

S1，选取原料，硝酸镧、硝酸铽、硝酸铕和均苯三甲酸；

S2，将均苯三甲酸溶解在乙醇中，搅拌；

S4，静置，离心洗涤，烘干得到白色样品；

2.根据权利要求1所述铕铽共掺的均苯三甲酸镧的制备及应用，其特征在于：所述步骤S2与步骤S3中均为室温搅拌30 min。

3.根据权利要求1所述的铕铽共掺的均苯三甲酸镧的制备及应用，其特征在于：所述步骤S3中加入铕离子和铽离子溶液，铕离子摩尔分数R分别为0, 0.1, 0.3, 0.5, 0.7, 0.9, 1（

），搅拌30 min，静止12 h。

4.根据权利要求1所述的铕铽掺杂的均苯三甲酸镧的制备及应用，其特征在于：所述步骤S4中静置时间为12 h，烘烤的温度为60 ℃，时间为24 h。

5.根据权利要求1所述的铕铽共掺的均苯三甲酸镧的制备及应用，其特征在于：所述检测为选择性、响应时间、抗干扰性、灵敏度。